船用大型低速柴油機(jī)曲軸的修復(fù)與分析

王飛翔 鄭煒 鄧健星

摘要：船用低速柴油機(jī)的曲軸發(fā)生機(jī)械損傷時(shí)，一般采取現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)。通過(guò)制定合理的修復(fù)工藝，控制尺寸、精度等參數(shù)，配置必要的軸瓦，能夠有效修復(fù)軸頸磨損、碰傷等缺陷。本文介紹了一起修復(fù)曲軸軸頸的案例，為船用低速機(jī)的曲軸修復(fù)提供了實(shí)際的方法和參考。

Abstract： When the crankshaft of marine low speed diesel engine suffers mechanical damage， it is usually repaired on site. By developing a reasonable repair process， controlling parameters such as size and precision， and configuring the necessary bearing shell， the defects such as journal wear and bruise can be effectively repaired. This paper introduces a case of repairing crankshaft journal， which provides a practical method and reference for repairing crankshaft of marine low speed engine.

關(guān)鍵詞：低速柴油機(jī);曲軸修復(fù);現(xiàn)場(chǎng)加工

Key words： low speed diesel engine;crankshaft repair;scene processing

中圖分類(lèi)號(hào)：U664.121.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）11-0173-03

0? 引言

曲軸作為船用柴油機(jī)的關(guān)鍵零部件，把活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過(guò)連桿變成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。曲軸的工作條件比較苛刻，受力復(fù)雜，并隨著轉(zhuǎn)角和柴油機(jī)負(fù)荷時(shí)刻變化。而軸頸不僅承受著交變應(yīng)力，還遭受著快速的磨損，特別是在潤(rùn)滑不良、機(jī)座或船體變形、軸承間隙不合適、超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)等情況下。因此，曲軸對(duì)材質(zhì)和軸頸表面加工要求很高，大型船用低速柴油機(jī)的曲軸一般采用中碳鋼或合金鋼鍛造，如34CrNiMo6。軸頸表面粗糙度一般達(dá)到Ra0.4，公差精度為IT7。在柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，曲軸軸頸與軸瓦之間要具有足夠的承壓面積，符合要求的間隙，通過(guò)持續(xù)形成潤(rùn)滑油膜，來(lái)保證良好的冷卻和潤(rùn)滑效果，同時(shí)要求最大限度地保證潤(rùn)滑油的潔凈程度，減少雜質(zhì)和顆粒物，這樣能夠盡可能避免曲軸軸頸的劃傷和過(guò)度磨損。曲軸的三維模型如圖1所示。

曲軸制造周期長(zhǎng)，加工精度高，價(jià)格昂貴，約占到船用低速機(jī)柴油機(jī)成本的1/10，因此在日常維護(hù)中必須定期檢查曲軸的狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致曲軸損傷的風(fēng)險(xiǎn)因素。船用低速機(jī)地曲軸修復(fù)過(guò)程復(fù)雜，驗(yàn)收要求高。船用低速機(jī)裝船后，更換曲軸將是一項(xiàng)非常大的工程，涉及拆裝的零件眾多，因此，一旦曲軸頸發(fā)生損傷，必須盡可能地修復(fù)，且大部分是直接在機(jī)艙就地實(shí)施。本文通過(guò)分析缸徑350mm的某型船用低速柴油機(jī)的曲軸軸頸修復(fù)工藝和過(guò)程，為大型船用低速柴油機(jī)曲軸的修復(fù)提供借鑒。

1? 曲軸損傷

裝配該型船用低速機(jī)的船舶在航行過(guò)程中，柴油機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)異響，經(jīng)停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)一個(gè)缸的連桿連接螺栓脫落，導(dǎo)致該缸與連桿連接的曲柄銷(xiāo)軸頸被嚴(yán)重劃傷，并被撞擊出眾多凹坑。損傷圖片如圖2所示。

為了精確測(cè)量凹坑的大小和深度，我們使用了3D拓模技術(shù)對(duì)曲柄銷(xiāo)軸頸進(jìn)行測(cè)量。然后將3D模印發(fā)至專業(yè)的機(jī)構(gòu)執(zhí)行測(cè)量，得到缺陷的準(zhǔn)確尺寸，如圖3所示。

從圖片和測(cè)量數(shù)據(jù)可以看到，該缸的曲柄銷(xiāo)軸頸表面受到嚴(yán)重?fù)p壞，如果不進(jìn)行修復(fù)，將導(dǎo)致軸頸與軸瓦之間接觸面積不足，形成不了足夠的潤(rùn)滑油膜和油壓，強(qiáng)行運(yùn)行可能導(dǎo)致軸頸、軸瓦燒毀，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，并影響船舶的安全運(yùn)行。

2? 曲軸頸技術(shù)要求

曲軸頸由于承受交變應(yīng)力和磨損，容易發(fā)生疲勞損壞，軸頸工作表面應(yīng)非常光滑。通常材料缺陷、制造工藝的缺陷、使用不當(dāng)都會(huì)導(dǎo)致軸頸變粗糙。此外，軸頸與曲柄的過(guò)渡圓角必須符合設(shè)計(jì)要求，因?yàn)閺澢趽p傷最容易發(fā)生在圓角處。本機(jī)型的曲軸加工和尺寸公差要求如下：

①曲軸工作表面、過(guò)渡圓角不允許有裂紋、拉痕、凹陷、銹蝕、點(diǎn)蝕和毛刺等缺陷。

②主軸頸與曲柄銷(xiāo)軸頸的精度為h7級(jí)，直徑尺寸要求為Φ340mm。

③曲柄銷(xiāo)軸頸圓柱度為0.03mm。

④曲柄銷(xiāo)外圓工作母線與主軸頸軸心線的平行度每1000mm不大于0.15mm。

⑤軸頸表面粗糙度要求為Ra0.4。

3? 曲軸頸加工修復(fù)

本次曲軸損傷事故發(fā)生在船上，曲軸難以拆卸和移動(dòng)，只能在船上現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)。而現(xiàn)場(chǎng)加工對(duì)設(shè)備要求高，且柴油機(jī)內(nèi)部空間狹小，設(shè)備既要求有較高的精度，又要求輕便靈巧，方便操作。

3.1 第一次加工

此次加工是在曲軸箱內(nèi)進(jìn)行，加工產(chǎn)生的顆粒和鐵屑很容易掉落到軸頸、油道等部位，因此必須做好防護(hù)。經(jīng)過(guò)分析，曲柄銷(xiāo)軸頸上所有的碰傷和凹陷必須去除，但基于#1凹坑過(guò)深，達(dá)到0.3mm，難以去除，先加工去除#2-#10缺陷部位。為此制定了如下步驟：

①現(xiàn)場(chǎng)安裝設(shè)備到曲軸表面，并以其他好的曲柄銷(xiāo)來(lái)對(duì)照測(cè)量，確定平行度，校準(zhǔn)工具，然后固定設(shè)備。

②粗加工去除軸頸上的缺陷點(diǎn)。

③測(cè)量數(shù)據(jù)，并重新對(duì)中工具。

④精磨拋光曲柄銷(xiāo)軸頸，測(cè)量尺寸、硬度、粗糙度等數(shù)據(jù)是否符合設(shè)計(jì)要求。

⑤執(zhí)行磁粉探傷檢查，確定是否有裂紋等缺陷。

曲柄銷(xiāo)軸頸加工過(guò)程如圖4所示，加工后如圖5所示。

經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的測(cè)量，得到數(shù)據(jù)如表1。

第一次精加工后，曲柄銷(xiāo)軸頸上1#凹坑肉眼可見(jiàn)，其他缺陷經(jīng)圓滑過(guò)渡，痕跡依舊存在，軸頸尺寸公差符合設(shè)計(jì)要求。當(dāng)前狀態(tài)不影響曲軸的性能，但影響油膜的分布和油壓力形成，最終將影響軸瓦的壽命，因此船東對(duì)于當(dāng)前曲軸的狀態(tài)并不接受。

3.2 第二次加工

在第一次精加工的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)分析，確定將曲柄銷(xiāo)軸頸的直徑加工去除0.3mm，同時(shí)單獨(dú)定制軸瓦，以徹底去除所有的凹坑、劃痕，保證軸頸與軸瓦的裝配間隙。

單配軸瓦的難點(diǎn)在于匹配曲柄銷(xiāo)加工后的尺寸，確定軸瓦的厚度。通過(guò)粗加工曲柄銷(xiāo)軸瓦，等待曲柄銷(xiāo)最終返修尺寸，最后對(duì)曲柄銷(xiāo)軸瓦進(jìn)行精加工，我們及時(shí)地得到了特殊軸瓦。

曲柄銷(xiāo)軸頸的加工切削量較大的時(shí)候，必須保證過(guò)渡圓角不受影響，并滿足設(shè)計(jì)尺寸要求。

曲柄銷(xiāo)軸頸加工完成后，測(cè)量尺寸，并執(zhí)行軸瓦藍(lán)油接觸試驗(yàn)，得到數(shù)據(jù)如表2。

綜上所述，通過(guò)加工、拋光曲軸的軸頸，去除撞擊凹坑、劃痕等缺陷，并滿足表面加工的設(shè)計(jì)要求，然后通過(guò)單配合適厚度的軸瓦，以保證軸瓦與曲軸頸的接觸面積和間隙，最終完成曲軸的修復(fù)。

4? 軸承間隙

曲柄銷(xiāo)軸頸連接著連桿的大端，二者通過(guò)軸瓦來(lái)保證良好的運(yùn)動(dòng)和潤(rùn)滑，而軸瓦與軸頸必須保證一定的間隙，以形成良好的油膜。間隙過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致機(jī)油泄壓，潤(rùn)滑系統(tǒng)壓力過(guò)低，間隙過(guò)小，潤(rùn)滑不良，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致拉瓦、燒軸等。

本機(jī)型的曲軸軸頸在加工后縮小，但是通過(guò)配置加厚軸瓦，最終能夠保證軸頸與軸瓦的間隙滿足技術(shù)要求，確保軸瓦的使用壽命。曲柄銷(xiāo)軸頸與軸瓦安裝完成后，測(cè)量位置如圖6。

通過(guò)實(shí)測(cè)曲軸軸頸與軸瓦的間隙，得到數(shù)據(jù)如表3。

5? 試車(chē)驗(yàn)證

曲軸修復(fù)完成以后，裝復(fù)動(dòng)車(chē)，柴油機(jī)各項(xiàng)參數(shù)滿足要求，滑油壓力未報(bào)警，主軸承溫度在合理范圍內(nèi)，運(yùn)行至今，未再出現(xiàn)問(wèn)題，證明此次曲軸的修復(fù)取得了良好效果。

6? 結(jié)論

①船用大型低速柴油機(jī)的曲軸作為運(yùn)動(dòng)件中的關(guān)鍵零部件，尺寸大，加工精度高，造價(jià)昂貴。一般軸頸出現(xiàn)問(wèn)題后，將曲軸拆出船艙，使用專用機(jī)床進(jìn)行修復(fù)是最好的方法。但是這樣需要切割船體，拆解柴油機(jī)，工程量非常大。因此，在條件允許的情況下，盡量采取現(xiàn)場(chǎng)加工修復(fù)。②采取就地加工工藝，將曲柄銷(xiāo)軸頸分級(jí)磨小，保證軸頸表面加工要求、軸頸與曲軸中心的平行度，然后配上合適厚度的軸瓦，以確保軸頸與軸瓦的間隙符合要求，能夠較為理想地修復(fù)曲軸軸頸的碰傷、拉傷故障。③曲軸修復(fù)是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工程，合理的修理工藝，不僅使曲軸恢復(fù)到良好的運(yùn)行狀態(tài)，還能避免更換曲軸、大修主機(jī)等費(fèi)用。在降低船舶運(yùn)行成本的同時(shí)，確保了船舶主機(jī)的安全運(yùn)行。

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